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活性炭は活性木炭とも呼ばれ、水や空気中の汚染物質を濾過するなど、さまざまな用途に広く使用されている炭素の一種です。処理（活性化）されて、吸着 または化学反応に利用できる表面積[1] [2]が大幅に増加する小さな低容量の細孔が形成され、微細な「スポンジ」構造と考えることができます（吸着は、原子または分子が表面に付着するプロセスであり、吸収とは異なります）。活性化は、乾燥したトウモロコシの粒からポップコーンを作ることに似ています。ポップコーンは軽くてふわふわしており、粒の表面積と体積の比率が高いです。「活性化」は「アクティブ」に置き換えられることがあります。
活性炭は微視的スケールで非常に多孔質であるため、ガス吸着法で測定すると、1グラムの活性炭の表面積は3,000平方メートル（32,000平方フィート）を超えます。 [ 1] [2] [ 4] [ 1 ] [ 2] [5]活性炭の場合、活性化前の同等の数値は約2〜5平方メートル（22〜54平方フィート）です。[6] [7]有用な活性化レベルは、高い表面積のみで得られる場合があります。さらに化学処理を行うと、吸着特性が向上することがよくあります。
活性炭は通常、ココナッツの殻などの廃棄物から作られ、製紙工場からの廃棄物もその原料として研究されてきました。[8]これらのバルク原料は、活性化される前に木炭に変換されます。石炭から得られる場合は、[1] [2]活性炭と呼ばれます。活性コークスはコークスから得られます。
用途
活性炭は、メタンや水素の貯蔵、[1] [2] 空気浄化、[9]静電容量脱イオン、超静電容量スイング吸着、溶媒回収、カフェイン除去、金の精製、金属抽出、浄水、医薬品、下水処理、人工呼吸器の空気フィルター、圧縮空気のフィルター、歯のホワイトニング、塩化水素の製造、食用電子機器、[10]など多くの用途に使用されています。
産業
主要な工業用途の 1 つに、電気めっき液の精製のための金属仕上げにおける活性炭の使用があります。たとえば、光沢のあるニッケルめっき液から有機不純物を除去するための主な精製技術です。めっき液には、めっき液の析出品質を改善し、輝度、滑らかさ、延性などの特性を強化するために、さまざまな有機化学物質が添加されます。直流電流の通過と陽極酸化および陰極還元の電解反応により、有機添加物は溶液中に不要な分解生成物を生成します。それらの過剰蓄積は、めっき品質と析出金属の物理的特性に悪影響を及ぼす可能性があります。活性炭処理は、このような不純物を除去し、めっき性能を望ましいレベルに回復させます。
医学
活性炭は、経口摂取後の中毒や過剰摂取の治療に使用されます。活性炭の錠剤やカプセルは、多くの国で下痢、消化不良、鼓腸の治療薬として市販薬として使用されています。しかし、活性炭は腸内ガスや下痢には効果がなく、腐食性物質、ホウ酸、石油製品の摂取による中毒の場合は通常医学的に効果がなく、特に強酸や強塩基、シアン化物、鉄、リチウム、ヒ素、メタノール、エタノール、エチレングリコールによる中毒には効果がありません。[11]活性炭はこれらの化学物質が人体に吸収されるのを防ぐことはできません。[12]世界保健機関の必須医薬品リストに掲載されています。[13]
誤った使用（例えば肺への使用）は肺への誤嚥を引き起こし、直ちに医療処置が開始されない場合には致命的となることがある。[14]
分析化学
活性炭は、セライトと 50% w/wの組み合わせで、分析または分取プロトコルでエタノール溶液 (5～50%) を移動相として使用して炭水化物(単糖類、二糖類、三糖類)を低圧クロマトグラフィーで分離する際の固定相として使用されます。
活性炭は、ダビガトラン、アピキサバン、リバーロキサバン、エドキサバンなどの直接経口抗凝固薬（DOAC）を血漿サンプルから抽出するのに有用である。[15]この目的のために、活性炭は「ミニタブレット」に作られ、1mlのDOACサンプルを処理するために5mgの活性炭が含まれている。この活性炭は血液凝固因子、ヘパリン、または他のほとんどの抗凝固薬には影響を及ぼさないため[16]、血漿サンプルを分析してDOACによって影響を受ける異常の有無を調べることができる。
環境
炭素吸着は、現場や産業プロセスの両方で空気や水の流れから 汚染物質を除去する際に、次のようなさまざまな用途に使用されます。
- 流出物の清掃
- 地下水 浄化
- 飲料水の ろ過[17]
- 廃水処理[18]
- 空気清浄
- 塗装、ドライクリーニング、ガソリン供給作業、その他のプロセスから揮発性有機化合物を捕捉します。
- フレキシブル包装、加工、コーティング、その他のプロセスからの揮発性有機化合物の回収（SRU、溶媒回収ユニット、SRP、溶媒回収プラント、SRS、溶媒回収システム） 。 [19]
1974年に米国で安全飲料水法が施行された当初、EPAの職員は飲料水処理システムに粒状活性炭の使用を義務付ける規則を策定した。このいわゆるGAC規則はコストが高いため、カリフォルニア州最大の水道事業者を含む全国の水道業界から強い反対を受けた。そのためEPAは規則を撤回した。[20]活性炭ろ過は多機能であるため、効果的な水処理方法である。汚染物質に応じて、特定の種類の活性炭ろ過方法と装置が適応される。[19]
活性炭は空気中のラドン濃度の測定にも使用されます。
バイオマス廃棄物由来の活性炭は、水からカフェインとパラセタモールを除去するのにも効果的に使用された。[21]
農業
活性炭（木炭）は、有機農家が畜産とワイン造りの両方で使用することが認められている物質です。畜産では、殺虫剤、動物飼料添加物、加工助剤、非農業原料、消毒剤として使用されます。[22] 有機ワイン造りでは、活性炭は白ブドウ濃縮物から茶色の色素を吸着する加工剤としての使用が認められています。[23]バイオ炭 として使用されることもあります。
蒸留酒の精製
活性炭フィルター（ACフィルター）は、ウォッカやウイスキーから色、味、匂いに影響を与える有機不純物を濾過するのに使用できます。有機的に不純なウォッカを適切な流量で活性炭フィルターに通すと、匂いと味で判断すると、アルコール含有量は同じで有機純度が大幅に向上したウォッカが得られます。[24]
燃料貯蔵
天然ガス[1] [2]および水素ガス[1] を貯蔵する様々な活性炭の能力をテストする研究が行われています。[1] [2]多孔質材料は、さまざまな種類のガスに対してスポンジのように機能します。ガスはファンデルワールス力によって炭素材料に引き付けられます。一部の炭素は、1モルあたり5〜10 kJの結合エネルギーを達成できました。[25]その後、ガスは高温にさらされると脱着し、仕事をするために燃焼するか、水素ガスの場合は水素燃料電池で使用するために抽出されます。 活性炭でのガス貯蔵は、ガスを低圧、低質量、低容積の環境で貯蔵できるため、車両に搭載されたかさばる圧力タンクよりもはるかに実現可能であるため、魅力的なガス貯蔵方法です。米国エネルギー省は、ナノ多孔質炭素材料の研究開発の分野で達成すべき特定の目標[26]を指定しています。すべての目標はまだ達成されていませんが、ALL-CRAFTプログラム[1] [2]を含む多くの機関がこの分野での研究を続けています。
ガス精製
活性炭入りのフィルターは、通常、圧縮空気やガスの浄化に使用され、空気中の油蒸気、臭気、その他の炭化水素を除去します。最も一般的な設計では、活性炭がフィルター メディア内に埋め込まれた 1 段階または 2 段階のろ過原理が採用されています。
活性炭フィルターは、原子炉の沸騰水型原子炉のタービン凝縮器から吸引された空気中の放射性ガスを保持するために使用されます。大きな炭層がこれらのガスを吸着し、非放射性固体種に急速に崩壊するまで保持します。固体は炭粒子に閉じ込められ、ろ過された空気は通過します。
化学精製
活性炭は、望ましくない色の有機不純物を含む有機分子の溶液を精製するために、実験室規模で一般的に使用されます。
活性炭による濾過は、大規模な精製化学および製薬プロセスで同様の目的で使用されています。炭素は溶液と混合され、その後濾過されるか、フィルターに固定されます。[27] [28]
水銀洗浄
活性炭は、硫黄[29]やヨウ素を注入したものが多く、石炭火力発電所、医療用焼却炉、天然ガスの坑口からの水銀排出を捕捉するために広く使用されています。しかし、その効果にもかかわらず、活性炭は高価です。 [30]
水銀を含んだ活性炭はリサイクルされないことが多いため、廃棄上の問題を抱えています。[31]活性炭に含まれる水銀が260 ppm未満の場合、米国連邦規制では、安定化（コンクリートに閉じ込めるなど）して埋め立てることが許可されています。[要出典]ただし、260 ppmを超える水銀を含む廃棄物は高水銀サブカテゴリに分類され、埋め立てが禁止されています（埋め立て禁止規則）。[要出典]この物質は現在、倉庫や廃坑の奥深くに年間100トンの割合で蓄積されています。[要出典]
水銀を含んだ活性炭の廃棄問題は米国に限ったことではありません。オランダでは、この水銀は大部分が回収され[要出典] 、活性炭は完全に燃焼して二酸化炭素 (CO 2 )として廃棄されています。
食品添加物
食品グレードの活性炭は2016年に食品トレンドとなり、ホットドッグ、アイスクリーム、ピザ生地、ベーグルなどの製品に「わずかにスモーキーな」味と濃い色を与える添加物として使用されています。 [32]避妊薬や抗うつ薬などの薬を服用している人は、[33]活性炭着色料を使用した新奇な食品や飲料を避けることをお勧めします。薬の効果を無効にする可能性があるためです。[34]
喫煙フィルター
活性炭は、燃焼によって生じる煙に含まれるタールやその他の化学物質を減らす方法として喫煙フィルターに使用されており[35]、タバコの煙に含まれる有毒物質、特にフリーラジカルを減らすことが分かっています。[35]
活性炭の構造
活性炭の構造は長い間議論されてきた。2006年に出版された本[36]で、 ハリー・マーシュとフランシスコ・ロドリゲス・レイノソは15以上の構造モデルを検討したが、どれが正しいのか明確な結論には至らなかった。収差補正透過型電子顕微鏡を用いた最近の研究では、活性炭は五角形と七角形の炭素環を持つフラーレンの構造に関連する可能性があることが示唆されている。[37] [38]
生産
活性炭は、竹、ココナッツの殻、柳の泥炭、木材、ココヤシ繊維、亜炭、石炭、石油ピッチなどの炭素質原料から生成される炭素です。次のいずれかのプロセスで生成（活性化）できます。
- 物理的活性化: 原料は高温ガスを使用して活性炭に加工されます。次に、空気を導入してガスを燃焼させ、等級分けされ、ふるい分けられ、除塵された活性炭を作成します。これは通常、次の 1 つ以上のプロセスを使用して行われます。
- 化学的活性化：炭素材料に特定の化学物質を含浸させる。化学物質は通常、酸、強塩基、 [ 1] [2]または塩[39]（リン酸25%、水酸化カリウム5%、水酸化ナトリウム5%、炭酸カリウム5 % 、[40] 塩化カルシウム25%、塩化亜鉛25%）である。次に、炭素を高温（250～600 °C）にさらす。この段階では、温度によって炭素が活性化され、材料が開き、微細な孔が増えると考えられている。化学的活性化は、温度が低く、品質の一貫性が高く、材料の活性化に必要な時間が短いため、物理的活性化よりも好まれる。[41]
キャボット・コーポレーション傘下のオランダ企業ノリットNVは、世界最大の活性炭生産者である。スリランカのココナッツ殻を原料とする企業ヘイカーブは、世界市場シェアの16%を占めている。 [42]
分類
活性炭は、その性質、表面特性、その他の基本的な基準に基づいて分類することが難しい複雑な製品です。ただし、サイズ、製造方法、産業用途に基づいて、一般的な用途向けに大まかな分類が行われます。
粉末活性炭（PAC）
通常、活性炭 (R 1) は、平均直径が 0.15 ～ 0.25 mm の 1.0 mm 未満の粉末または細粒の粒子として製造されます。したがって、活性炭は拡散距離が短く、表面積と体積の比率が大きくなっています。活性炭 (R 1) は、50 メッシュのふるい (0.297 mm) に保持された活性炭粒子として定義されます。
粉末活性炭（PAC）材料はより細かい材料です。PAC は粉砕または粉砕された炭素粒子で構成されており、その 95～100% が指定されたメッシュふるいを通過します。ASTMは、 80 メッシュふるい（0.177 mm）以下の粒子を PAC として分類しています。PAC を専用容器で使用することは、高いヘッド損失が発生するため一般的ではありません。代わりに、PAC は一般に、原水取水口、急速混合槽、浄化槽、重力ろ過器などの他のプロセス ユニットに直接追加されます。
粒状活性炭（GAC）
粒状活性炭 (GAC) は粉末活性炭に比べて粒子サイズが比較的大きいため、外表面が小さくなります。したがって、吸着物質の拡散は重要な要素です。これらの炭は、気体物質が急速に拡散するため、ガスや蒸気の吸着に適しています。粒状炭は、空気ろ過や水処理のほか、一般的な脱臭や、フローシステムや急速混合槽内の成分の分離に使用されます。GAC は、粒状または押し出し成形のいずれかの形で入手できます。GAC は、液相用途では 8×20、20×40、8×30 などのサイズで指定され、気相用途では 4×6、4×8、4×10 などのサイズで指定されます。 20×40 カーボンは、米国標準メッシュサイズ No. 20 ふるい (0.84 mm) (通常、85% 通過と指定) を通過し、米国標準メッシュサイズ No. 40 ふるい (0.42 mm) (通常、95% 保持と指定) に保持される粒子で作られています。AWWA (1992) B604 では、50 メッシュふるい (0.297 mm) を最小 GAC サイズとして使用しています。最も一般的な水性相カーボンは、サイズ、表面積、およびヘッド損失特性のバランスが取れているため、12×40 および 8×30 サイズです。
押し出し活性炭（EAC）
押し出し活性炭 (EAC) は、粉末活性炭とバインダーを融合し、直径 0.8 ～ 130 mm の円筒形の活性炭ブロックに押し出したものです。圧力損失が少なく、機械的強度が高く、粉塵含有量が少ないため、主にガス相用途に使用されます。CTO フィルター (塩素、味、臭い) としても販売されています。
ビーズ活性炭（BAC）
ビーズ活性炭 (BAC) は石油ピッチから作られ、直径約 0.35 ～ 0.80 mm のものが供給されます。EAC と同様に、圧力損失が低く、機械的強度が高く、粉塵含有量が少ないという特徴がありますが、粒度はより小さくなっています。球形であるため、水ろ過などの流動床用途に適しています。
含浸カーボン
ヨウ素や銀などの数種類の無機含浸物を含む多孔質炭素。 アルミニウム、マンガン、亜鉛、鉄、リチウム、カルシウムなどの陽イオンも、特に博物館や美術館での大気汚染制御の特定の用途向けに準備されています。銀を含浸させた活性炭は、抗菌性と防腐性があるため、家庭用水の浄化用吸着剤として使用されています。天然水を活性炭と凝集剤である水酸化アルミニウム( Al (OH) 3 ) の混合物で処理することで、天然水から飲料水を得ることができます。含浸炭素は、硫化水素(H 2 S) やチオールの吸着にも使用されます。H 2 Sの吸着率は重量比で 50% にも達すると報告されています。[要出典]
ポリマーコーティングカーボン
これは、多孔質炭素を生体適合性ポリマーでコーティングして、細孔を塞がずに滑らかで透過性のあるコーティングを施すプロセスです。得られた炭素は血液灌流に有用です。血液灌流は、患者の大量の血液を吸着物質に通して血液から毒性物質を除去する治療技術です。
織りカーボン
工業用レーヨン繊維を活性炭布に加工して炭素ろ過を行う技術があります。活性布の吸着能力は活性炭よりも高く（BET理論）、表面積：500〜1500 m 2 /g、細孔容積：0.3〜0.8 cm 3 /g）[要出典] 。活性物質のさまざまな形態のおかげで、幅広い用途（スーパーキャパシタ、臭気吸収剤、CBRN防衛産業など） に使用できます。
プロパティ
活性炭1グラムの表面積は500 m 2 (5,400平方フィート)を超え、3,000 m 2 (32,000平方フィート)も容易に達成できます。[2] [4] [5]カーボンエアロゲルはより高価ですが、表面積がさらに大きく、特殊な用途に使用されます。
電子顕微鏡で見ると、活性炭の高表面積構造が明らかになります。個々の粒子は非常に複雑に入り組んでおり、さまざまな種類の多孔性を示しています。グラファイトのような物質の平らな表面が互いに平行に走り、[2]わずか数ナノメートル程度の間隔で離れている領域が多数ある場合があります。これらの微細孔は、吸着が起こるための優れた条件を提供します。これは、吸着物質が多くの表面と同時に相互作用できるためです。吸着挙動のテストは通常、高真空下、 77 Kの窒素ガスを使用して行われますが、日常的に言えば、活性炭は、その環境から吸着することによって、 100 °C (212 °F) および 1/10,000気圧の圧力の蒸気から液体の水と同等のものを完全に生成することができます。
デュワー（真空フラスコ）の名前の由来となった科学者ジェームズ・デュワーは、活性炭の研究に多くの時間を費やし、ガスに対する吸着能力に関する論文を発表しました。[43]この論文で、彼は炭素を液体窒素温度まで冷却すると、とりわけ多数の空気中のガスを大量に吸着できることを発見しました。その後、炭素を再び温めるだけでそれらのガスを回収でき、ココナッツベースの炭素の方がその効果に優れていることがわかりました。彼は酸素を例に挙げており、活性炭は通常、標準条件下では大気中の濃度（21%）を吸着しますが、炭素を最初に低温まで冷却すると80%を超える酸素を放出します。
物理的には、活性炭はファンデルワールス力[41] またはロンドン分散力によって物質を結合します。
活性炭は、アルコール、ジオール、強酸、強塩基、金属、およびリチウム、ナトリウム、鉄、鉛、ヒ素、フッ素、ホウ酸 などのほとんどの 無機物を含む特定の化学物質とはあまり結合しません。
活性炭はヨウ素を非常によく吸着します。ヨウ素容量（mg/g）（ASTM D28 標準法テスト）は、総表面積の指標として使用できます。
一酸化炭素は活性炭にあまり吸着されません。このガスは人間の感覚では感知できず、代謝に有毒で神経毒性があるため、呼吸器、換気フード、その他のガス制御システムのフィルターにこの物質を使用する人にとっては特に注意が必要です。
活性炭に吸着される一般的な産業用および農業用ガスの詳細なリストはオンラインで見つけることができます。[44]
活性炭は、硫化水素(H 2 S)、アンモニア (NH 3 )、ホルムアルデヒド (HCOH)、水銀(Hg )、放射性ヨウ素 131 ( 131 I) などの無機化合物 (および問題のある有機化合物) の吸着能力を向上させるために、さまざまな化学物質を塗布するための基質として使用できます。この特性は化学吸着として知られています。
ヨウ素価
多くの炭素は、小分子を優先的に吸着します。ヨウ素価は、活性炭の性能を特徴付けるために使用される最も基本的なパラメータです。これは活性レベルの尺度であり（数値が高いほど、活性度が高いことを示します[45] ）、多くの場合、mg/g（通常の範囲は500〜1200 mg/g）で報告されます。これは、溶液からのヨウ素の吸着による活性炭の微細孔含有量（0〜20Å、または最大2nm）の尺度 です。 [ 46] これは、900〜1100 m 2 /gの炭素の表面積に相当します。これは、液相用途の標準的な尺度です。
ヨウ素価は、残留濾液中のヨウ素濃度が 0.02 規定 (つまり 0.02N) のときに、炭素 1 グラムに吸着されるヨウ素のミリグラム数として定義されます。基本的に、ヨウ素価は細孔に吸着されたヨウ素の測定値であり、したがって、対象の活性炭で利用可能な細孔容積の指標となります。通常、水処理用炭素のヨウ素価は 600 ～ 1100 です。このパラメーターは、使用中の炭素の消耗度を判断するためによく使用されます。ただし、この方法は注意が必要です。吸着質との化学反応がヨウ素の吸収に影響し、誤った結果をもたらす可能性があるためです。したがって、炭素床の消耗度の尺度としてヨウ素価を使用することは、炭素床が吸着質と化学的に相互作用しないことが示され、特定の用途においてヨウ素価と消耗度の間の実験的相関関係が決定されている場合にのみ推奨されます。
糖蜜
炭素の中には、大きな分子を吸着するのに適したものもあります。糖蜜価または糖蜜効率は、溶液からの糖蜜の吸着による活性炭のメソ細孔含有量（20 Å超、または 2 nm超）の尺度です。糖蜜価が高いということは、大きな分子の吸着が高いことを意味します（範囲 95～600）。キャラメル dp（脱色性能）は糖蜜価に似ています。糖蜜効率はパーセンテージ（範囲 40%～185%）で報告され、糖蜜価と平行しています（600 = 185%、425 = 85%）。欧州糖蜜価（範囲 525～110）は、北米糖蜜価と反比例します。
糖蜜価は、標準化された活性炭に対して希釈され標準化された標準糖蜜溶液の脱色度を測る指標です。着色体のサイズにより、糖蜜価はより大きな吸着種に利用可能な潜在的な細孔容積を表します。特定の廃水用途では細孔容積のすべてが吸着に利用できない可能性があり、また吸着物質の一部が小さな細孔に入る可能性があるため、糖蜜価は特定の用途における特定の活性炭の価値を測る良い指標にはなりません。このパラメータは、一連の活性炭の吸着速度を評価する際によく使用されます。吸着用の細孔容積が同等の 2 つの活性炭の場合、糖蜜価の高い方のほうが通常はフィーダー細孔が大きく、吸着物質がより効率的に吸着空間に転送されます。
タンニン
タンニンは、大きな分子と中くらいの分子の混合物です。マクロ孔とメソ孔を組み合わせた炭素はタンニンを吸着します。炭素のタンニン吸着能力は、ppm 濃度 (範囲 200 ppm～362 ppm) で報告されます。
メチレンブルー
いくつかの炭素はメソ細孔（20Å～50Å、または2～5nm）構造を持ち、染料メチレンブルーなどの中型分子を吸着します。メチレンブルーの吸着量はg/100g（範囲11～28g/100g）で報告されています。[47]
脱塩素化
いくつかの炭素は、活性炭の塩素除去効率を測定する脱塩素半減期に基づいて評価されます。脱塩素半減期とは、塩素濃度を50％低減するために必要な炭素の深さです。半減期が短いほど、優れた性能を示します。[48]
見かけ密度
活性炭の固体密度または骨格密度は、通常2000～2100 kg/m 3（125～130ポンド/立方フィート）の範囲です。ただし、活性炭サンプルの大部分は粒子間の空気層で構成されているため、実際の密度または見かけの密度はより低くなり、通常は400～500 kg/m 3（25～31ポンド/立方フィート）になります。[49]
密度が高いほど体積活性が高くなり、通常は活性炭の品質が優れていることを示します。活性炭の見かけ密度の測定には、ASTM D 2854 -09 (2014) が使用されます。
硬度/摩耗数
これは活性炭の摩耗耐性の尺度です。活性炭が物理的完全性を維持し、摩擦力に耐えるかどうかを示す重要な指標です。活性炭の硬度は、原料と活性レベル（多孔度）によって大きく異なります。
灰分含有量
灰は活性炭の全体的な活性を低下させ、再活性化の効率を低下させます。その量は活性炭の製造に使用される基本原材料（ココナッツ、木材、石炭など）によってのみ異なります。金属酸化物（Fe 2 O 3）が活性炭から浸出すると、変色の原因になります。酸/水溶性灰分は総灰分よりも重要です。酸化鉄は藻類の増殖を促進する可能性があるため、可溶性灰分はアクアリストにとって非常に重要です。重金属中毒や植物/藻類の過剰な増殖を防ぐため、海水魚、淡水魚、サンゴ礁の水槽には可溶性灰分が少ない炭を使用する必要があります。 活性炭の灰分を測定するには、 ASTM （D2866 標準法テスト）が使用されます。
四塩化炭素の活性
飽和四塩化炭素蒸気の吸着による活性炭の多孔度の測定。
粒度分布
活性炭の粒子サイズが細かいほど、表面積へのアクセスが良くなり、吸着速度が速くなります。気相システムでは、圧力降下を考慮する必要があり、圧力降下はエネルギーコストに影響します。粒子サイズ分布を慎重に考慮すると、運用上の大きな利点が得られます。ただし、金などの鉱物の吸着に活性炭を使用する場合、粒子サイズは 3.35～1.4 ミリメートル (0.132～0.055 インチ) の範囲にする必要があります。粒子サイズが 1 ミリメートル未満の活性炭は、溶出 (活性炭から鉱物を剥離すること) には適していません。
特性と反応性の改変
酸塩基、酸化還元、特異的吸着特性は表面官能基の組成に大きく依存する。[50]
従来の活性炭の表面は反応性があり、大気中の酸素や酸素プラズマ[ 51] [52] [ 53] [54] [55] [56] [57] [58]蒸気、[59] [60] [61]、さらには二酸化炭素[55]やオゾン[62] [ 63]によって酸化される可能性があります。[64]
液相中の酸化は、様々な試薬（HNO 3、H 2 O 2、KMnO 4）によって引き起こされます。[65] [66] [67]
酸化炭素の表面には多数の塩基性基と酸性基が形成されるため、吸着やその他の特性は未修飾の形態とは大きく異なる可能性がある。[50]
活性炭は天然物やポリマーによって窒素化される[68] [69]か、窒素化試薬を用いた炭素の処理によって窒素化される[70] [71] [72]。
活性炭は塩素[73]、[74]、 臭素[75]、フッ素[76]と相互作用する可能性がある。
活性炭の表面は、他の炭素材料と同様に、液相で（パー）フルオロポリエーテル過酸化物[77]で処理するか、CVD法で広範囲のフッ素有機物質で処理することによってフッ素アルキル化することができます。 [78]このような材料は、高い疎水性と化学的安定性、電気伝導性および熱伝導性を兼ね備えており、スーパーキャパシタの電極材料として使用できます。[79]
スルホン酸官能基を活性炭に結合させて「スターボン」を生成し、脂肪酸のエステル化を選択的に触媒することができる。[80]ハロゲン化前駆体からこのような活性炭を形成すると、より効果的な触媒が得られる。これは、残留ハロゲンが安定性を向上させる結果であると考えられる。[81]化学的にグラフトされた超酸部位 -CF 2 SO 3 Hを持つ活性炭の合成について報告されている。[82]
活性炭の化学的性質のいくつかは、表面活性炭素二重結合の存在に起因すると考えられている。[64] [83]
ポリアニ吸着理論は、さまざまな有機物質の表面への吸着を分析するための一般的な方法です。
吸着の例
不均一触媒
産業界で最も一般的に見られる化学吸着の形態は、固体触媒が気体原料、反応物と相互作用するときに発生します。触媒表面への反応物の吸着により化学結合が形成され、反応物分子の周囲の電子密度が変化し、通常は起こり得ない反応が可能になります。
再活性化と再生
活性炭の再活性化または再生には、活性炭表面に吸着された汚染物質を脱着させることによって、飽和活性炭の 吸着能力を回復することが含まれます。
熱再活性化
工業プロセスで用いられる最も一般的な再生技術は熱再生である。[84]熱再生プロセスは一般的に3つのステップに従う：[85]
- 吸着剤の乾燥は約105℃（221℉）
- 不活性雰囲気下での高温脱着および分解（500～900℃（932～1,652℉））
- 高温（800℃（1,470℉））での非酸化性ガス（蒸気または二酸化炭素）による残留有機物のガス化
熱処理段階では、吸着の発熱特性を利用し、吸着された有機物の脱着、部分的な分解、重合が起こります。最終段階では、前の段階で多孔質構造に形成された焦げた有機残留物を除去し、多孔質炭素構造を再び露出させて、元の表面特性を再生することを目的としています。処理後、吸着カラムは再利用できます。吸着-熱再生サイクルごとに、炭素層の5〜15重量％が燃焼し、吸着能力が失われます。[86]熱再生は、必要な温度が高いため、エネルギーを多く必要とするプロセスであり、エネルギー的にも商業的にも高価なプロセスです。[85]活性炭の熱再生に依存するプラントは、再生施設を敷地内に設置することが経済的に実行可能になる前に、ある程度の規模でなければなりません。その結果、小規模な廃棄物処理施設では、再生のために活性炭コアを専門施設に輸送するのが一般的です。[87]
その他の再生技術
活性炭の熱再生には高エネルギー/高コストがかかるという現在の懸念から、そのようなプロセスの環境への影響を軽減するための代替再生方法の研究が促進されています。引用されている再生技術のいくつかは純粋に学術的な研究分野のままですが、熱再生システムの代替手段のいくつかは業界で採用されています。現在の代替再生方法は次のとおりです。
- TSA（熱スイング吸着）および/またはPSA（圧力スイング吸着）プロセス：蒸気、[88] 、 「高温」不活性ガス（通常は加熱窒素（150〜250°C（302〜482°F）））、[89]または真空（T+VSAまたはTVSA、TSAプロセスとVSAプロセスを組み合わせたもの）[90]を使用した対流（熱伝達）によるその場再生
- MWR（マイクロ波再生）[91]
- 化学薬品と溶剤の再生[92]
- 微生物による再生[93]
- 電気化学的再生[94]
- 超音波再生[95]
- 湿式空気酸化[96]
参照
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには活性炭に関連するメディアがあります。
- 「活性炭の原子構造の画像化」 – Journal of Physics: Condensed Matter
- Slateの「活性炭はどのように機能するのか?」
- ニューヨークタイムズ紙の「健康という偽りの偶像崇拝」は、活性炭が役に立たない健康法であるという記事である。